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北京邮电大学博士学位论文摘要 光纤低相干干涉测量技术及其应用研究 摘要 光纤低相干干涉测量技术( l c i ：l o w c o h e r e n c ei n t e r f e r o m e t r y ) 最初面对光纤通信系统，用于测量光纤的背向瑞利散射，从而测定光 纤的损耗等特性。近年来对该技术的研究已逐渐向其他领域转移。深 入研究并改进光纤低相干干涉技术与系统的各关键技术环节，对于其 推广应用具有重要意义。 唰啾光纤光栅( c f b g ：c h i 叩e df i b e rb r a g gg r a t i n g ) 是一种无 源光纤器件，其纤芯折射率具有周期性分布，且折射率周期具有一定 的啁啾特性，从而能够反射一定光谱范围的入射光，并引入与反射位 置相关的色散量，在光通信系统的色散补偿及传感技术等领域具有广 阔的应用前景。 论文围绕c f b g 色散特性的测量，研究光纤l c i 技术的方法与 理论，特别研究色散介质测量的l c i 干涉图形状与展宽；研究光纤 l c i 系统的噪声特性与抑制技术；设计并建立c f b g 色散特性测量的 光纤l c i 系统，完成测量实验与数据处理，并给出测量结果。研究 工作的特色与创新体现在： 1 、基于部分相干理论与傅里叶光谱学理论，对啁啾光纤光栅色 散测量的光纤低相干干涉方法进行深入的理论研究，建立模型对啁啾 t 北京邮电大学博士学位论文摘要 光纤光栅色散测量的光纤低相干干涉图进行仿真研究，揭示啁啾光纤 色散测量的低相干干涉图展宽的内在原因； 2 、对啁啾光纤光栅色散测量的光纤低相干干涉系统的噪声进行 理论研究，指出两个干涉臂的光谱特性严重失配的情况下，拍频噪声 是系统噪声的主要成份，并提出采用可调谐光纤滤波器来进行干涉臂 光谱匹配，有效抑制拍频噪声的方法； 3 、建立了啁啾光纤光栅色散特性测量的光纤低相干干涉系统， 与依赖于可调谐单色光源的调制相移法和脉冲时延法相比，该系统具 有频域分辨率高、测量速度快、精度高、造价低等优点。啁啾光纤光 栅群时延测量的重复性精度达5 p s ，相对精度优于5 。并对系统的 测量误差进行分析。 论文最后对研究工作进行总结，给出了进一步研究的方向。 关键词：低相干干涉傅里叶光谱学方法啁啾光纤光栅色散 i i 北京邮电大学 尊士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nf i b e rl o w 二c o h e r e n c e i n t e r f e r o m e t r ya n di t sa p p l i c a t i o n a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nf i b e rl o w c o h e r e n c ei n t e r f e r o m e t 珂( l c i )i s o r i g i n a l l yf o rm e a s u r i n gt h er a y l e i g hb a c k s c a t t e ra n df o rc h a r a c t e r i z i n g t h e1 0 s sa n d1 0 c a t i n gt h ed e f e c to fo p t i c a l 砧e r a n di s g r a d u a l l y t m s f e l l r e dt oo t h e rt e c h n i c a lf i e l d s d e l i b e r a t ei n v e s t i g a t i o no fv a r i o u s k e yt e c h n i q u e so fl c im a k e sp r o f o u n ds e n s ef o ri t sg e n e r a l i z a t i o na n d a p p l i c a t i o n c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ( c f b g ) ，ap a s s i v ef i b e re l e m e n tf o h n e d b yp r o d u c i n gi nt h ef i b e rc o r eap e n o d i ci n d e xm i c r o d i s t u r b a n c e ，h a sa b r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c tf o rt h ec h r o m a t i cd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o no f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s f o rt h i sr e a s o n ， i ti so f s p e c i f i c i m p o r t a n c ef o rm ec h r o m a t i cd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c o fc f b gt ob e m e a s u r e dw i t hh i g ha c c u r a c y f o c u s i n go nt h ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h ed i s p e r s i o no fc f b gt h i s d i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h e o r e t i c a l l yf i b e rl c i ，e s p e c i a l l yc o n c e m i n gw i t h t h es h a p e a n dt h ew i d e n i n go ft h el c ii n t e r f e r o g r a mo b t a i n e dd u n gt h e m e a s u r e m e n to ft h ed i s p e r s i v em e d i u m ；r e s e a r c h e st h en o i s eo ff i b e rl c i s y s t e ma n di t ss u p p r e s s i o n ；d e s i g n sa n ds e t su paf i b e rl c is y s t e mf o r m e a s u l l i n gt h ed i s p e r s i o no fc f b ga n db yu s i n go ft h i ss y s t e m ， c o m p l e t e s m e a s u r e m e n t e x p e i l i m e n t s a n d d a t a m a n i p u l a t i o n d i s t i n g u i s h e d a r l dc r e a t i v ea c h i e v e m e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r e c o n c l u d e da s ： l 、a c c o r d i n gt op a n i a lc o h e r e n c et h e o 珂a n df o u r i e rt r a n s f i o m l 0 p t i cs p e c t r o m e t r y ，r e s e a r c h e st h e o r e t i c a l l yt h e 行b e rl c it e c h n 0 1 0 9 y i i i 北京邮电大学博士学位论文 a b s t r a c t f o rt h ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h ed i s p e r s i o no fc f b ga n a l y z e st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew i d e n i n go ft h el c ii n t e r f e r o g r a mo b t a i n e d d u r i n gt h em e a s u r e m e n to ft h ed i s p e r s i o no fc f b ga n dt h ed i s p e r s i o n m e c h a n i s mo fc f b qa n df o rt h i sp u q ) o s e ，b u i l d sam o d e lf o rs i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n ； 2 、p e 墒m st h e o r e t i c a la n a l y s i st ot h en o i s eo ff i b e rl c is y s t e m ， p o i n t i n go u tt h a t ，i nt h e c a s e so ft h es p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so ft w o i n t e r f e r e n c ea m sb e i n gs e r i o u s l ym i s m a t c h e d ，t h eb e a tn o i s ei sn o t n e g l i g i b l ea n di st h ed o m i n a n tn o i s ec o m p o n e n t ，a c c o r d i n g l y ，p r o p o s e s a n di m p l e m e n t sam e t h o df o rm a t c h i n gt h es p e c t r u mb yw a yo fat u n a b l e f i b e rf i l t e rt os u p p r e s se f f e c t i v e l yt h eb e a tn o i s e ； 3 、d e s ig n sa n ds e t su paf i b e rl c is y s t e mf o rt h ec h a r a c t e 订z a t i o n o ft h ed i s p e r s i o no fc f b gw h i c hs y s t e mf e a t u r e s1 a 唱eo p d ( o p t i c a l p a t hd i f 琵r e n c e ) s c a n n i n gr a n g e ，h i g hf e q u e n c yd o m a i nr e s o l u t i o n ，h i g h m e a s u r e m e n ts p e e d ， h i g ha c c u r a c ya n dl o wc o s t ，w i t ht h er e p e t i t i v e n e s s o ft h eg r o u pd e l a yo fc f b gb e i n g5 p sa n dt h er e l a t i v ea c c u r a c yb e t t e r t h a n5 ，a n d ，a n a l y z e st h em e a s u r e m e n te r r o ro ft h es y s t e m f i n a l l y t h ec o n t e n t so ft h ed i s s e n a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h e d i l e c t i o n sf o r 如r t h e re n d e a v o ra i ep r o v i d e d i n d e xw o r d s ：l o w c o h e r e n c ei n t e 彘r o m e t 以f o u r i e rt r a n s f o r n l s p e c t r o m e t r mc f b gd i s p e r s i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名： 本人承担一切相关责任。 同期：呈旦翌缢翌魍! 盟 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文 的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密 的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 北京邮电火学博+ 论文绪论 第一章绪论 低相干干涉术( l c i ： l o wc o h e r e n c ei n t e r f e r o m e 时) ，也称为部分相干干涉 术，是以宽谱光源作为相干光源的一种干涉测量技术。自由空间的低相干干涉 术由来已久，有比较完备的理论体系，即部分相干理论。它指出，复时间相干 度与光源的归一化功率谱密度之间是傅里叶变换对的关系。干涉图的强度分布 中包含有光源光谱分布的信息，对干涉图作余弦傅里叶变化即可提取这一信息， 这正是傅罩叶变换光谱学的基本内容。 经典的部分相干理论以及傅里叶变换光谱学的理论描述与实际应用中，均 以零色散介质为前提，即忽略光束经过介质传播时、以及经过介质反射时所发 生的色散。因此对包含色散介质的光学系统的低相干现象进行研究，是对经典 部分相干干涉理论的一种补充，具有重要的理论研究意义，同时在啁啾光纤光 栅、光楔等色散介质的特性参数测量等方面，具有很大实用价值。 与自由空间的低相干干涉系统相比，光纤低相干干涉技术的出现与发展要 晚得多，其发展几乎与近代光纤通信技术以及光纤传感技术同步。人们对光纤 低相干干涉测量技术的研究始于上个世纪八十年代后期，主要用于测量光通信 系统中的背向瑞利散射，以研制光时域反射计，来确定光纤的损耗特性及缺陷 的位置。光纤低相干干涉测量技术以其诸多独特的优点，在光学介质与集成光 学器件特性测量、各种光纤传感、医学领域的高分辨率光学层析成像与活体组 织的非侵入成像检测、化学试剂与食品饮料成份分析等领域具有广泛的应用前 景。 啁啾光纤光栅( c f b g ：c h i 叩e df i b e rb r a g gg r a t i n g ) 是一种无源光纤器件， 通过以一定的啁啾特性在光纤纤芯中形成周期性折射率微扰所形成，其重要用 途是在高速光通信系统中进行色散补偿，以抑制光通信系统的光脉冲展宽。因 此，有必要研究高精度的c f b g 色散特性的测量技术，该测量技术对啁啾光纤 光栅的推广应用至关重要。论文围绕c f b g 色散特性的测量，深入研究光纤低 相干干涉测量技术。 北京邮电大学博+ 论文绪论 1 。1 光纤低相干千涉技术 光纤低相干干涉技术一般采用2 2 的3d b 光纤耦合器，对来自宽谱光源 的光波进行振幅分割，从而形成光纤麦克耳逊、杨氏双缝或马赫曾德式的干涉 系统。根据部分相干理论与傅里叶光谱学方法，分析处理所记录的干涉信号来 提取所需信息。根据信息调制机理，所提取的信息可以是振幅信息、位相信息、 波长信息、干涉图包络信息、偏振信息、零光程差位置信息等。 1 1 1 光纤低相干干涉系统基本构成 如图1 1 所示，光纤低相干干涉系统u 1 副主要由宽谱光源、干涉部件( 3 d b 光纤耦合器) 、扫描系统、信号探测与信号解调系统及待测器件组成”俨拢。典 型的光纤低相干系统的基本的构成是光纤麦克耳逊干涉系统，其中一般包括一 个3 d b 光纤耦合器，完成振幅分割。光源从端口1 注入，并等振幅地注入参考 和测量两臂。其中测量臂上的待测对象( d u t ) 将光纤的出射光返回，经同一光纤 返回到耦合器，并在该处与参考臂上由扫描系统所返回的光叠加产生干涉，干 涉光场从耦合器的端口4 出射，并由光电探测器接收。 宽 扫描镜 图1 1 光纤低相干干涉系统基本构成 测量臂中用于扫描光程差的扫描反射镜移动时，光电探测器( p d ) 的输出 信号幅值随干涉光场强度的相对变化而变化。在相干长度范围内对光程差进行 扫描时，用示波器可观察到部分相干的干涉图包络。这样的干涉系统中，测量 臂上可以采用压电陶瓷( p z t ) ，在外加信号的作用下对光程进行调制。 为使光纤低相干干涉系统的输出干涉条纹具有最佳对比度，往往需要用偏 振控制器( p c ) 来调节并匹配干涉臂的偏振态。 2 北京邮电大学博+ 论文绪论 通过检测干涉图的条纹间距、位相、包络峰值的位移等，并进行相应的计 算，就可以获得被测件的一些物理特性。 1 1 2 光纤低相千干涉技术的优点 一般认为光纤低相干干涉系统具有如下优点u 哺”卜趵。： l 、高灵敏度，高分辨率。干涉测量技术总是以光波的物理参数作为测量的 标准量，更多的是以光的波长作为测量标准量，由于光波的传播速度达到1 0 8 量 级，其条纹变动对测量镜位移具有极快的响应速度，因此灵敏度非常高。最简 易的麦克耳逊干涉系统的位移分辨率也能达到a 2 级别，辅以一定的光学倍频 和电学倍频手段，分辨率还能成倍地提高。 2 、抗电磁干扰。光波的传播对一般强度的空间电磁波干扰不敏感，光纤的 材料又是电、磁的不良导体，因此光纤低相干干涉系统具有很高的抗电磁干扰 的能力，保障了测量系统的高信噪比。 3 、体积小，重量轻，易于集成。光纤低相干干涉系统的传输介质一般是单 模光纤，带有涂覆层的单模光纤直径小于l m m ，并且可以以一定的曲率半径弯 曲而不影响光的传输损耗，因此可以在一个较小的空间完成干涉系统的连接与 定位，体积小、重量轻，可以灵活地集成到各种测量系统之中。 4 、非接触、非侵入检测。利用光纤低相干干涉系统进行活体组织的层析造 影、进行液体成份分析，可以实现非接触、非侵入式的测量。此时一般采用干 涉图包络峰值检测的方式来确定零光程差点位置，实现高精度测量。或者检测 干涉图的频谱分布，从而确定被测介质对不同波长光的光强调制情况。 5 、动态范围可灵活配置。采用光纤低相干干涉系统进行测量时，动态范围 是一项比较重要的指标，它表征系统所能检测的某个参数值的幅值范围，一般 用系统所能检测的最大幅值与最小幅值之比的对数形式给出。这一范围受光源 输出的最大光功率与系统的光电探测极限制约。光源的输出光功率可以采用多 种调制形式如电光效应调制来进行调节，因此系统的动态范围可动态地配置， 保证了光纤低相干干涉系统的灵活性。 6 、测量速度快。光纤低相干干涉系统的测量过程一般涉及光程差的扫描， 而低相干系统的相干长度较短，因此扫描速度快。基于傅里叶光谱学方法的复 杂参数测量，如c f b g 色散特性测量，往往只需记录一幅低相干干涉图，即可 通过一定的数值分析算法解出被测量的值。无需使用调谐激光器在多个频点上 北京邮电大学博七论文 绪论 单独测量，再重建被测量的大小。因此测量速度快，提高了测量效率。 7 、测量精度高。干涉测量法是众所周知的一种高精度测量手段。光纤低相 干干涉测量具有这一优点之外，采用傅里叶光谱学方法更是充分利用干涉图的 所有数据来评定被测量值，具有精密测量理论所青睐的平均效应的效果，可获 取很高的测量精度。 8 、成本低。构建光纤低相干干涉系统，无需高相干干涉系统所使用的可调 谐激光光源。信号分析与处理也无需使用光网络分析仪、矢量分析仪、扫频仪 等贵重设备，系统造价相对较低。 1 1 3 光纤低相干干涉技术的发展动态 目前，国内外正在研究之中，与光纤低相干干涉测量技术直接相关的关键 技术主要集中在以下几个方面。 1 、光谱宽度、光源强度合适的宽谱光纤光源技术。铲3 。 光源的特性直接决定了系统的空间分辨率，并与系统的灵敏度、动态范围 等特性相关。迄今为止，在光纤低相干干涉系统中使用得比较成功的宽谱光源 类型有：s l d ，e l e d ，s l e d 以及可调谐光纤激光光源等。 其中s l d ，即超辐射发光二极管，在注入电流不足以形成受激辐射之前， 所辐射的是自发辐射光，因此光谱范围较宽，后两者均是基于发光二极管的宽 谱光源，其共同的不足之处在于输出光功率不够强，因此制约了系统的动态范 围。 为提高系统的动态范围，一般思路是采用e d f a ( 掺铒光纤放大器，e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i 丘e r ) 光源来提高输出光功率，该光源利用基于喇曼散射的四 波混频原理，采用掺铒光纤放大器对s l d 或者s l e d 发出的宽谱光进行放大， 形成高输出功率的宽带光源。其不足之处在于四波混频发生的光波长所覆盖的 谱段不连续，无法产生任意中心波长的宽带光源。 2 、面向不同系统结构的信号解调、信号提取技术瞄“1 。 根据检测对象的不同特点，需要提取的信息可以是光信号的幅值、位相、 波长、偏振态、零光程差点、乃至光谱特性等。例如，几何量测量系统中需要 分辨干涉图样包络的峰值点进行位置瞄准；传感技术中涉及分辨条纹位相、偏 振态、波长，其中波长检测往往涉及f p 腔长度的精密测量与控制；o c t ( 光学 相干层析术， o p t i c a lc o h e r e n c et o m o 铲印h y ) 技术中的图像重建等，o c t 的 4 北京邮电大学博士论文绪论 图像重建更多地是要检出两干涉臂的零光程差点。 针对不同的被测对象，或者同一种被测对象的不同测量参数( 尤其是目前 还没有形成行业公认的标准量或标准物质，只能根据被测量的定义来构造标准 量，以完成测量的那些复杂参数) ，还有待研究专门的或者改进的信号解调、信 息提取、数据处理等技术。 本课题针对啁啾光纤光栅的色散特性这一复杂参数，着重研究如何从所记 录的高信噪比、高对比度的低相干干涉图中，提取宽谱光源干涉信号的位相， 并进行必要的展开与计算，来获取啁啾光纤光栅的群时延特性。 3 、光程差扫描技术 涉及l c i 信号的光谱特性、零光程差点、包络等信息的检测时，l c i 系统往 往需要设置精密的光程差扫描系统。“1 川。扫描系统的精度很大程度上制约了光 纤低相干干涉系统的测量精度。 小范围内的光程差扫描，如2 0 0 微米范围内的光程差扫描，可以采用压电陶 瓷来驱动反射镜进行精密扫描，也可以采用超声波、电磁线圈等能产生周期性 震动的器件来驱动。传感技术中常用的一类扫描技术是电控压电陶瓷结合f p 腔 的扫描技术，该技术具有分辨率与定位精度高的优势，但扫描的行程较短。 比较特殊的一种扫描技术利用双模光纤中声波与光波的相互作用，将l p 0 1 模耦合为l p l l 模，形成光纤中的移动分束器，完成时延扫描。但该技术目前 还处在实验室研究阶段。 尽管l c i 系统中光源的相干长度一般很短，不会超过1 0 0 微米。但涉及到色 散介质的l c i 测量时，还是需要对大量程的光程差进行精密扫描，同时需要提供 位移间隔一致性程度高、满足采样定律的数据采样触发脉冲。常见的方案是电 机驱动直线运动的微动工作台，工作台上固定反射镜，并结合一定的精密位移 检测系统而构成。但机械结构的制造精度与运动平稳度误差，决定了参考臂的 扫描分辨率和精度，制约了它在长行程、高精度的位移扫描中的应用。因此有 必要进一步研究可用于大行程、高分辨率、高精度的光程差扫描、监测以及采 样触发脉冲发生的技术与系统。 4 、干涉系统的构成 针对不同的应用、不同的测量参数和不同物理对象的光纤干涉系统之间的 明显区别在于，作为振幅分割器件的光纤耦合器数量和形式b 4 5 4 2 q 3 1 不一致。例 如一般系统仅使用一个耦合器，而有的系统会涉及多达四个耦合器，还有些特 5 北京邮电人学博士论文 绪论 定的系统中会用到3 x 3 耦合器。例如，图1 2 示出了一种环形拓扑结构的光学低相 干反射计，使用了3 个3 d b 光纤耦合器。 0 l c r 翮 渤 ，搴 髓 奉 抛光巷爷带一产迥皇器末端a 、一， 3 豁 d。一，。 卜阢 一 吼叫匝魄f 瓢 耦合器 不师” 、 偏振控制器 s z s 羽 图1 2 环形拓扑结构的光学低相干反射计1 3 副 此外，光纤低相干干涉系统的噪声抑制、输出干涉条纹的对比度等均系应 考虑与解决的问题。相关技术措施涉及到偏振控制器、光功率衰减器、滤波器、 隔离器、环行器等光纤光学器件的合理运用。 1 1 4 光纤低相干干涉技术的主要应用 近年来，光纤低相干干涉技术的应用主要集中在以下几个方向： 1 、光学低相干反射计 光学低相干反射计n 4 。1 8 4 4 。4 明是一种干涉计量仪器，它检测待测样品反射光的 互相关相干性。该技术于1 9 8 7 年被引入远程通信光器件的质量检测，一般采用 具有短相干长度的连续光波作光源，构成麦克耳逊干涉仪。 图1 3 是文献h 钊介绍的一种光时域反射计，使用了两个光纤耦合器，光源部 分光谱范围可调节，参考臂用移动工作台扫描，频谱分析仪分析测量信号，计 算机完成数据处理。用该技术测量光学界面以及待测样品内部背向散射光的空 间分辨率与光源的谱宽成反比。 ， 许多学者都曾经提出过用低相干干涉仪测量光学元件中弱反射缺陷的位置 或用于测量单模光纤中的背向散射。这些装置都是以s l e d 或s l d 作光源的单 模光纤干涉仪。其动态范围直接与注入到干涉仪的光功率大小有关，空间分辨 率受光源谱宽的限制。用以上装置可达到动态范围1 4 0 d b ，空间分辨率1 4 微米。 采用从t i ：a 1 2 0 3 晶体发出的荧光作光源的反射计测量结果的空间分辨率达到1 9 6 北京邮电人学博士论文绪论 微米。有研究报道一种相敏频率复用的光学低相干反射计可测量纳米级的光程 差变动。 光源 频谱分 波导器件 图1 3o t d r 的基本构成【4 4 1 尽管光学低相干反射计已成功地用于长距离的光纤传输特性测量，但其基 本原理是干涉信号的包络峰值检测，即零光程差位置检测，并不强调整幅干涉 图的完整性。用于测量光纤衰减特性时，检测背向瑞利散射的相对强度，因此 更多地强调l c i 系统的动态范围，即对光源的输出功率有较高要求。 2 、传感技术 光纤低相干技术的另一典型应用是在传感技术中的应用h ”制咱，光纤低相干 干涉在传感技术中的使用已经涉及到各种物理量的测量，如湿度、压力、温度、 气体浓度、光学介质的折射率等等。 例如，图1 4 是文h 刊报导的一种空气折射率测量传感系统，它通过测定与 空气折射率有关的物理量如湿度、压力、温度、一氧化碳浓度等参数来推算空 气折射率，通常是已知其他量的前提下测量其中一种参数以确定空气折射率。 其装置前后用到两个低相干干涉结构，这种结构可同时处理四个光学传感器。 封闭在隔热腔中，用作处理的光纤低相干系统，作为两个远程干涉仪的调制器， 以调理a p d 接收到的信号。当干涉仪的光程差在相干长度内与处理干涉仪匹配 时，可观测到测量信号。光功率分配器用于访问不同的测量干涉系统和参考干 涉系统( f p 参考) ，锁相放大器比较测量干涉系统和参考干涉系统的信号以消除 北京邮电人学1 尊士论文 处理干涉仪对测量精度的影响。该传感器测量空气折射率的精度达到1 6 处理干 p 参考镜 锥分束黯 考臂 射镜 测室 圈14 空气折射率测量传感系统h 1 传感技术中所使用的l c i 技术往往更注重被测参数信号的准确检出，而不 涉及大范围的光程差精密扫描。 3 、医学、生化分析技术 光纤维毒墨 闰l5 光纤低相干层析成像系统川 光纤低相干干涉系统以其分辨率高、灵敏度高、体积小等独特的优势在医 疗仪器、活体组织的非侵入成像分析、食品饮料及化学溶液浓度检测方面具有 很大的应用前景和潜力，科技人员在这方面进行了大量的研究工作”川。如图 8 北京邮电大学博士论文 l5 所示，医用光纤低相干干涉系统通常在测量臂上添加一个光纤聚光镜，用于 对被测样品成像。目前o c t ( o p 6 c a lc o h e r c e 幻蜘。舯p h y ) 的纵向空间分辨已 经低于1 0 个微米。 该领域内，l c i 以其非介入、非接触的优势而见长，空间分辨要求并不高。 4 、其它物理量铡量系统 除咀上提到的几个方面外，近几年国内外的研究工作还在其它许多新型的 物理量、几何量、热工量以机械量检测系统中用到光纤低相干干涉技术删。 例如，如图16 所示，文献m 给出的是3 d 矢量液体流速实时测量系统，它是 一个分布式光纤低相干干涉测量系统。该系统分析多个低相干干涉系统中液体 背向散射光与参考镜的干涉信号之间的互相关，从而算出被测液体的流速。 探头 图163 d 矢量流速测量m 1 图1 7 ( a ) 和1 7 ( b ) 示出了文献m 1 所介绍的一种光纤低相干差分干涉仪，可用于 几何量精密测量和各种传感技术。 阻上这些光纤低相干干涉系统尽管结构不同，用途各异，但共同的特点是 光源的光谱较宽，并需要光纤耦合器来进行振幅分割。本论文针对光纤光栅， 尤其是啁啾光纤光栅的色散特性测量，研究光纤低相干干涉测量技术，因此， 本章以下内容以及后面的章节都将围绕啁啾光纤光栅色散特性的低相干干涉测 量技术来展开。 北京邮电大学博士论文 幽l7 ( a ) 光纤差动干涉仪原理 双面反射镜 光纤直准直镜1 r i _ _ 窭里1 翻查面! - - i ，光纤直准直镜2 调基震蓝i 了 翻17 ( b 1 双面反射镜差动干涉解调器横截面 1 2 光纤光栅色散特性及其测量技术 12 1 光纤光栅的色散特性 光纤光栅俨i b 盯b 伯g gg 忸t i l l g ，f b g ) 是近年来国内外研究较多的一种光学器 件，一般利用紫外线等手段在纤芯掺杂了光敏元素的光纤中形成周期性的折射 率分布。根据周期长短分为长周期光纤光栅和短周期光纤光栅，分别对应透射 光栅和反射光栅( 布喇格) 。根据折射率分布周期的变化可简单分为均匀光纤光 栅和啁啾光纤光栅。 光纤光栅自问世以来，人们对其特性及制造生产工艺进行了大量的理论和 实验研究”。各种光纤光栅器件纷纷问世，并以其体积小易于集成、插入损 耗小、实旖工艺简单、成本低廉等特点在檄光器、光放大器、传感器等多个领 域得到广泛的应用，尤其是在光通信领域的应用，前景非常广阔。特别是啁啾 光纤光栅在光通信系统色散补偿方面的应用，更是近年来国内外光通信领域研 1 0 北京邮电大学博士论文 绪论 究的热点。 光纤光栅的形成基于光纤的光敏特性，不同的曝光条件、不同类型的光纤 可产生多种不同的光纤光栅，如均匀光栅、变迹光栅和啁啾光栅等。光纤光栅 的主要特性包括反射谱、时延特性和色散特性等。光纤光栅的传输特性通常采 用耦合模理论进行理论分析，也可以用龙格库塔法或传输矩阵法( 把非均匀的 光纤光栅看成若干均匀光纤光栅的级联) 进行数值分析。国内外对光纤光栅特 性实测技术的研究正方兴未艾。在光通信中具有很大色散补偿应用前景的啁啾 光纤光栅的特性测试，更是研究的重中之重。 光纤光栅可以看成是对光纤纤芯折射率实施周期性微扰而形成的，其折射 率分布由下式表示： 心) = 坞( z ) c o s ( 惫z + 2r 孵腊) 一号娜考 ( 1 ) 式中是对光纤折射率实施微扰前的有效折射率，血，( z ) 是折射率变化包络，l 是光纤光栅的长度，八( z ) 是光栅周期，( z ) = 2e 9 ( 亭) d 亭描述光栅的啁啾。对于 均匀光栅，人( z ) = 人。是常数，( p ( z ) = 常数，则光栅传播常数p o = k 以= 兀八o 。采用 耦合模理论来分析光纤光栅的传播特性可知：光纤光栅的中心反射波长 厶= 2 疗人。对于啁啾光纤光栅，中心反射波长是随长度变化的，即人( z ) 是变 化的，则由九( z ) = 2 n d 扒( z ) 可知中心反射波长随光栅长度变化，其中蛳是光纤光 栅的有效折射率。同时，由于每个波长分量的反射位置不同，引入一个与反射 位置有关的时延量。 若定义光纤光栅的反射系数为： p = ( 一2 ) 如( 一三2 ) 其中和如分别是前向传输模和后向传输模的复振幅，l 是光纤光栅的长度， 则光栅相位p = 鼢口s e ( p ) ，其时延7 1 ： f ( 五) = d 乡d = ( 一名2 2 万c ) d 9 d 兄 ( 1 2 ) 得出光纤光栅的色散川为： 北京邮电大学博+ 论文绪论 础脚们拇芸旧等+ 警) n 3 ，、7 2 万c l 五j 五 d 五2 j 、7 啁啾光纤光栅的反射谱如图1 8 所示，反射谱特性两侧的旁瓣是多光束干涉 的结果。 图1 8 啁啾光纤光栅反射谱 1 - 2 2 光纤光栅色散测量技术的发展动态 光纤光栅的反射率、带宽和中心波长等特征可通过光谱仪等现有常规仪器 测试。但近年来光纤光栅制作技术f 1 益改善，其应用领域也不断扩展，对光纤 光栅本身特性测试的要求越来越高。当光纤光栅应用在色散补偿、密集波分复 用、分布式传感等方面时，精确测试其色散特性非常重要。国内外的科研工作 者在这方面作了许多工作。啁啾光纤光栅色散特性的测量技术基本上分为三类： 1 、脉冲扫描法 其基本原理是对可调谐光源进行调制，向被测光栅注入不同中心波长的光 脉冲，并在出射端检测脉冲到达的时间。根据不同波长脉冲到达时间的相对关 系计算被测件的色散特性。 脉冲扫描法测量光栅色散的典型实例是光子飞行时间计数法引，如图1 9 所示，它通过测量光子的飞行时间来测量f b g 对光的相对群时延。采用通信用 的标准l e d 光源( 带宽为6 0 n m ) 在高速脉冲发生器控制下发射持续时间3 0 0 - p s 的光脉冲，每个脉冲大约包括1 0 0 个光子，经过用于选择波长的可调谐f p 滤波 器滤波后，光脉冲由5 0 ：5 0 的耦合器入射到f b g 中。用反向偏置的雪崩光电二 极管( 铟镓砷) 探测器( a p d ) 在耦合器的第二个出射端口接收f b g 的反射光 北京邮电人学博士论文绪论 子，经过f p 滤波器和f b g 的损耗后，每个光脉冲内大约能接收到1 0 个光子， 因此有必要加上衰减装置以防止a p d 饱和。a p d 工作在门控模式以减小暗光场 时对光子的探测，即只在由l e d 光脉冲触发的l0 1 1 s 时间段内工作，且需要用帕 耳帖模块对其制冷到4 0 0 c 。光子的飞行时间由时间数字转换器( t d c ，时间分辨 率6 0 p s ) 测量，它同步于l e d 的脉冲发射开始计数，f b g 反射光子到达a p d 产生雪崩效应时停止计数。将每种波长光的测量结果存储为直方图，可得到全 宽半高为5 0 0 p s 的反射峰，该峰的形状和宽度由l e d 发射的光脉冲与探测器的 时间响应特性的卷积决定。各波长的时延和色散根据上述反射峰的中心位置计 算。 该方法具有1 5 p s 的精度，并且易于改进。但由上述可知，该方法需要使用 可调谐光源，并且需要非常高的时间测量精度，其复杂程度与造价高，操作繁 琐，测量时间长。 延迟发 图1 9 光子飞行时间计数法测量光纤光栅色斟6 3 】 光纤光栅 图1 1 0 调制相移法测量啁啾光纤光栅色散【6 5 】 2 、调制相移法 调制相移法6 6 6 1 的基本原理是使用周期固定的正弦波来调制可调谐光源， 1 3 北京邮电大学博士论文绪论 依次向被测啁啾光纤光栅注入不同波长的光，在被测啁啾光纤光栅出射端，检 测输出光的位相，并分析不同波长的光经过光电转换后的电信号的位相关系， 导出被测件的色散特性。 如图1 1 0 所示，相移法的本质是比较调制信号在不同波长下的相位来确定 被测件的色散特性。一般使用可调谐激光器产生的波长连续变化的光波，经过 光调制器和环行器后传输到待测c f b g ，反射光经过环行器后由光电接收器接 收，转换为测量信号。用网络分析仪来分析各种波长下测量信号与调制信号之 间的相位差，得到待测件的群时延特性。假定光源的调制频率为f ，经过啁啾光 纤光栅后，波长为五的光相对于波长为九的光传播时延差为r ，则这两波长的相 位差为缈( 五) ：2 万厂f ，于是时延f ：会磐，只要测出不同波以下的相位差 二j l j 够( 五) ，计算出- ( 以) ，得出时延曲线就可以算出光纤光栅的色散。该方法是最 常用的色散测量方法。 r f 信号输ar f 信号输出 图1 1 1 基于射频信号的调制相移法【叫 调制相移法的典型实例之一是用射频信号来调制光波，将对光波幅值和相 位的测量转化为对射频信号相应量的测量和比较。如图1 1 1 所示，文献刮所述， 用网络分析仪产生的r f 信号通过强度调制器调制可调谐激光器发出的光，入射 光由5 0 ：5 0 的2 2 耦合器耦合到被测f b g 。f b g 的反射光经过耦合器后由探测 器接收并转换为电信号。网络分析仪将该电信号的幅值和相位与输入信号的幅 值和相位进行比较，得到待测f b g 的群时延，用数值微分计算群时延对波长的 导数得出其色散，图中的偏振控制器用来调整消光比。该方法既可测量f b g 的 1 4 北京邮电大学博士论文绪论 色散又可测量其偏振相关的损耗。测量前者的相对误差不超过5 ，测量后者的 相对误差不超过士0 1 d b 。 该方法与方法1 一样，符合色散定义，原理易于理解。但系统涉及到可调 谐光源的使用，造价昂贵。另外需要对c f b g 反射谱内的多个不同波长依次进 行测量，因此测量与数据处理时间均较长。 3 、低相干干涉测量法 光纤光栅色散特性的干涉测量法又分为采用可调谐光源的高相干干涉法和 以宽光谱光源为前提的低相干干涉测量方法旧卜。前者用锯齿波函数调制参考 臂的相位，f b g 的反射光与参考臂传输的光干涉后由光探测器接收，得到相应 的电信号，该电信号携带f b g 反射光的相位和幅值信息，干涉仪的幅值响应正 比于光纤光栅的场反射系数。将相对相位对波长求导计算出时延，然后再计算 色散。该方法具有亚皮秒的精度和3 p m 的波长分辨率，缺点是测量时间长、造 价高。后者以光纤光栅作为待测器件，将低相干干涉图形进行傅氏变换后，提 取其位相信息，并对光波长求导来得到被测件的色散特性。该方法的优点是频 域分辨率高、测量时问短、速度快、精度高、系统简单。 光纤耦舍器 掣亍獬 飞，辜 _ _ _ _ - 自 犍= = 翻i 蠹瑚 3 嬲 嚣 磊翮 图1 1 2 用于光纤光栅色散测量的典型光纤低相干干涉系纠硎 典型的低相干干涉法色散测量原理如文献u ”。所述，见图1 1 2 ，用超荧光光 纤光源( s f s ) 作为低相干红外光源，f b g 连接在干涉仪的测量臂，参考臂中包括 一段空气光程以便改变总光程差( o p d ：o p t i c a lp a t hd i 仃e r e i l c e ) ，参考臂的光程由 图中h e n e 激光光源的麦克耳逊干涉系统及相应的电路进行监控，该电路同时提 供采样触发信号。偏振控制器用来匹配两臂中光的偏振态。f b g 与参考臂的反 射光在耦合器处干涉后进入红外探测器( i r ) 。s f s 的光谱与f b g 复域反射率的 乘积的傅立叶变换的幅值，与干涉条纹的对比度成线性关系。测量时先识别o p d 零点，以该点作为上述傅氏变换的位相斜率零点。移动干涉条纹时，上述傅氏变 北京邮电人学博士论文绪论 换结果是o p d 的函数。对干涉图形进行傅氏变换获得幅值和位相值，将位相值 对频率进行数值微分即可得到相对群延迟。该方法的测量重复性达到皮秒量级， 测量速度快( 几分钟内得到群延迟) 。 4 、高相干干涉法 高相干干涉测量方法基于全光纤麦克耳逊干涉仪，使用波长分辨率很高的 可调谐激光光源( h p 8 1 6 8 c ) 对f b g 反射光进行波长扫描。f b g 连接在干涉 仪的测量臂，用锯齿波函数调制参考臂的相位，f b g 的反射光与参考臂传输的 光干涉后由光探测器接收，得到相应的电信号，该电信号携带f b g 反射光的相 位和幅值信息，干涉仪的幅值响应正比于光纤光栅的场反射系数。将相对相位 对波长求导计算出时延，然后再计算色散。该方法具有亚皮秒级的精度和3 p m 的波长分辨率，缺点是测量时间长( 需要几个小时) 。 图1 1 3 环镜结构的高相干干涉测量系纠3 5 】 如图1 1 3 所示，文献。牺。介绍了一种环镜结构的干涉测量方法，将f b g 连接 在光纤环路的正中间。从宽带光源或可调谐的激光器输出的光经过环行器和3 d b 耦合器分别从两个方向入射到环中。经c f b g 反射后，不同波长反射光的光程 不同，在系统的输出处o p l 或o p 2 产生干涉图样。环路中的偏振控制器用来 调整干涉图样的对比度。用分辨率为0 0 1 n m 的光谱分析仪在0 p l 处进行测量。 干涉图样中有很多条纹是因为从啁啾光纤光栅两个方向不同位置的反射光之间 产生了干涉，条纹的波长间隔为五：二：! 兰。以为f b g 的折射率，掣为 2 ，l l2 月掀 4 z f b g 的啁啾系数，觑为从光栅中心波长处的失谐量。对于啁啾为d v d z 和色散 为d 的啁啾f b g ，波长增量为九时对应的条纹数：扣含善，其中c 是光速， 1 6 北京邮电人学博士论文绪论 则啁啾f b g 的色散。= 【筹) 木器。该方法可以测量3 d b 带宽窄到1 1 1 i i l 的 f b g ，并且重复性好，对温度和偏振变化不敏感，可以